Dalga-Parçacık İkiliği İçin Yerçekimi Dalgalarını Test Edebilir miyiz?
Madde ve enerjinin bu sistemlerin zaman içinde nasıl evrimleştiğini belirlediği kavisli uzay-zamanın Genel Görelilik resmi, yerçekimi dalgalarının varlığı ve özellikleri de dahil olmak üzere başka hiçbir teorinin eşleşemeyeceği başarılı tahminlerde bulundu: uzay-zamandaki dalgalanmalar. Kuantum teorisi doğruysa, dalga-parçacık ikiliği tüm kuantalara uygulanması gerektiğinden, bu dalgalanmaların bir parçacık analoğu olması gerekir. (LIGO)
Kuantum yerçekimi doğruysa, bu yerçekimi dalgalanmaları dalgalardan daha fazla olmalıdır; onlar da parçacık olmalı.
2016 yılının Şubat ayında LIGO, Evrenle ilgili resmimizi sonsuza dek değiştiren bir duyuru yaptı: bir milyar ışıkyılı uzaklıktan, 36 ve 29 güneş kütlesine sahip iki büyük kara delik ilham verdi ve birleşti. Bu birleşmenin sonucu, 62 güneş kütlesine sahip tek bir kara delikti ve kalan 3 güneş kütlesi Einstein'ın yöntemiyle saf enerjiye dönüştürüldü. E = mc² , Evren boyunca yerçekimi dalgaları şeklinde dalgalanıyor.
O zamandan beri, LIGO, yerçekimi dalgaları artık şüphesiz gerçek olduğundan ve bize Evrenimiz hakkında inanılmaz bir şey öğrettiğinden, yaptığı tespitlerin sayısıyla çift hanelere yükseldi. Ancak tüm bunlar, klasik yerçekimi teorimize göre hala Evrenimiz hakkında bilgidir: Genel Görelilik. Kuantum fiziği doğruysa, dalga-parçacık ikiliği, yerçekimi dalgaları için bile gerçektir. İşte bunun anlamı.
Thomas Young'ın 1800'lerin başlarındaki çalışmasına dayanan bu diyagram, A ve B noktalarından kaynaklanan dalga kaynaklarından kaynaklanan hem yapıcı hem de yıkıcı girişimi gösteren en eski resimlerden biridir. yarık deneyi. (WIKIMEDIA COMMONS KULLANICISı SAKURAMBO)
Dalga-parçacık ikiliğinin şimdiye kadar ortaya çıkarılan en tuhaf kuantum fenomenlerinden biri olduğunu iddia etmek zor değil. Yeterince basit bir şekilde başladı: madde parçacıklardan, atomlar ve bileşenleri gibi şeylerden ve radyasyon dalgalardan yapıldı. Bir şeyin parçacık olduğunu söyleyebilirsiniz, çünkü o, çarpışır ve diğer parçacıklardan sıçrar, birbirine yapışır, enerji alışverişi yapar, bağlanır, vb. şeyler yapar.
Benzer şekilde, bir şeyin dalga olduğunu söyleyebilirsiniz, çünkü o kırılır ve kendi kendine müdahale eder. Newton, ışıkla ilgili bu yanlışı, onun parçacıklardan oluştuğunu düşünerek yanlış anladı, ancak Huygens (onun çağdaşı) gibi diğerleri ve daha sonra Young ve Fresnel gibi 1800'lerin başlarındaki bilim adamları, ışığın, dikkate alınmadan açıklanamayacak özellikler sergilediğini kesin olarak gösterdiler. bir dalga.
En belirgin fenomen, ışığı bir çift yarıktan geçirdiğinizde ortaya çıkar: bir arka plan ekranında görünen desen, ışığın hem yapıcı (parlak noktalara yol açarak) hem de yıkıcı (karanlık noktalara yol açarak) müdahale ettiğini gösterir.
Her seferinde bir çift yarıktan geçen elektronlar için dalga modeli. Elektronun hangi yarıktan geçtiğini ölçerseniz, burada gösterilen kuantum girişim desenini yok edersiniz. Bu deney bazı karmaşık ekipmanlar gerektirse de, kuantum Evrenimizin etkilerini evde görmenin birçok yolu vardır ve elektronlar için olduğu kadar fotonlar için de işe yarar. (DR. TONOMURA VE BELSAZAR OF WIKIMEDIA COMMONS)
Bu girişim olgusu, benzersiz bir şekilde dalgaların bir ürünüdür. Çift yarık deneyi ve ardından gelen daha karmaşık analoglar, ışığın bir dalga olduğunu kanıtladı. Ancak bu, 1900'lerin başında fotoelektrik etkinin keşfiyle daha da kafa karıştırıcı hale geldi. Belirli bir malzemeye ışık tuttuğunuzda, bazen elektronlar ışık tarafından harekete geçirilirdi.
Işığı daha kırmızı yaptıysanız (ve dolayısıyla daha düşük enerji) - ışığı keyfi olarak yoğun yapsanız bile - ışık hiçbir elektronu tetiklemez. Ancak daha mavi (ve dolayısıyla daha yüksek enerjili) ışığı tutarsanız, yoğunluğu azaltmış olsanız bile, yine de elektronları başlatırsınız. Kısa bir süre sonra, ışığın fotonlara nicelleştirildiğini ve tek tek fotonların bile parçacıklar gibi davranarak elektronları doğru enerjiye sahiplerse iyonize edebildiklerini keşfettik.
Bir çinko atomuna bağlı bir elektron için elektron enerjisinin bir fonksiyonu olarak foton enerjisinin bu grafiği, belirli bir frekansın (veya enerjinin) altında bir çinko atomundan hiçbir fotonun fırlatılmadığını ortaya koymaktadır. Bu yoğunluktan bağımsızdır. Ancak, belirli bir enerji eşiğinin üzerinde (yeterince kısa dalga boylarında), fotonlar her zaman elektronları harekete geçirir. Foton enerjisini artırmaya devam ettikçe elektronlar artan hızlarla fırlatılır. (WIKIMEDIA COMMONS KULLANICI KLAUS-DIETER KELLER, INKSCAPE İLE OLUŞTURULDU)
Şunu keşfettiğimiz gibi, 20. yüzyılda daha da garip kavrayışlar geldi:
- Tek fotonlar, onları birer birer çift yarıktan geçirdiğinizde, dalga doğasıyla tutarlı bir model üreterek kendileriyle girişime devam ederdi.
- Parçacık olarak bilinen elektronlar da bu girişim ve kırınım modelini sergilediler.
- Bir fotonun veya elektronun hangi yarıktan geçtiğini ölçtüyseniz, girişim deseni elde edemezsiniz, ancak ölçmezseniz bir tane elde edersiniz.
Görünüşe göre şimdiye kadar gözlemlediğimiz her parçacık hem dalga hem de parçacık olarak tanımlanabilir. Dahası, kuantum fiziği bize onu hem uygun koşullar altında olduğu gibi ele almamız gerektiğini, aksi takdirde deneylerimizle uyumlu sonuçlar alamayacağımızı öğretir.
LIGO işbirliğinden tespit edilen ilk kara delikler çiftinden yerçekimi dalgası sinyali. Ham veriler ve teorik şablonlar, ne kadar iyi eşleştikleri konusunda inanılmaz ve açıkça dalga benzeri bir model gösteriyor. (B.P. ABBOTT VE AL. (LIGO SCIENTIFIC İŞBİRLİĞİ VE BAŞAK İŞBİRLİĞİ))
Şimdi, sonunda, yerçekimi dalgalarını düşünmeye hazırız. Bunlar fizik açısından bir nevi benzersizdir, çünkü biz onların sadece dalga benzeri kısımlarını gördük, asla parçacık bazlı kısımlarını görmedik.
Ancak, su dalgalarının parçacıklardan oluşan dalgalar olması gibi, yerçekimi dalgalarının da parçacıklardan oluşmasını bekliyoruz. Bu parçacıklar, (su molekülleri yerine) gravitonlar, size bir kuantum yerçekimi teorisi verebilecek bilinen tüm fikirler altında yerçekimi kuvvetine aracılık eden parçacık olmalıdır. Yerçekiminin doğada doğası gereği kuantum bir kuvvet olmasının bir sonucu olarak gravitonların tamamen ortaya çıkması bekleniyor ve bunlardan yerçekimi dalgaları yapılmalıdır.
Dairesel yollar boyunca hareket eden bir dizi parçacık, makroskopik bir dalga yanılsaması yaratıyor gibi görünebilir. Benzer şekilde, belirli bir düzende hareket eden bireysel su molekülleri, makroskopik su dalgaları üretebilir ve gördüğümüz yerçekimi dalgaları, muhtemelen onları oluşturan ayrı kuantum parçacıklarından oluşur: gravitonlar. (DAVE WHYTE OF BEES & BOMBS)
Çünkü bu bir dalgadır ve bu dalganın tam olarak Genel Relativite'nin öngördüğü gibi davrandığı gözlemlenmiştir:
- inspirasyon aşamasında,
- birleşme aşamasında ve
- çalma devresi sırasında,
Genel Relativite'nin öngördüğü tüm dalga benzeri şeyleri yapmaya devam edeceğini güvenle çıkarabiliriz. Alıştığımız diğer dalgalardan ayrıntıda biraz farklılar: onlar su dalgaları gibi skaler dalgalar değiller, hatta aynı fazda salınan elektrik ve manyetik alanlara sahip olduğunuz ışık gibi vektör dalgaları bile değiller.
Bunun yerine, bunlar uzayın büzülmesine ve dalga o alandan geçerken dik yönlerde seyrekleşmesine neden olan tensör dalgalarıdır.
Bu dalgalar, herhangi bir dalga türünden beklediğiniz şeylerin çoğunu yapar, buna şunlar da dahildir:
- ortamları boyunca belirli bir hızda yayılırlar (ışık hızı, uzayın dokusu boyunca),
- uzaydaki diğer dalgalanmalara hem yapıcı hem de yıkıcı olarak müdahale ederler,
- bu dalgalar, halihazırda mevcut olan diğer uzay-zaman eğriliğinin üzerine biner,
- ve eğer bu dalgaların kırınımını sağlamanın bir yolu olsaydı - belki de bir kara delik gibi güçlü bir yerçekimi kaynağının etrafında seyahat ederek - tam olarak bunu yaparlardı.
Ek olarak, Evren genişledikçe, bu dalgaların genişleyen Evrendeki tüm dalgaların yaptığını yapacağını biliyoruz: Evrenin arka plan alanı genişledikçe genişlemek ve genişlemek.
Evrenin dokusu genişledikçe, mevcut herhangi bir radyasyonun dalga boyları da gerilecektir. Bu, elektromanyetik dalgalar için olduğu kadar yerçekimi dalgaları için de geçerlidir; Evren genişledikçe herhangi bir radyasyon biçiminin dalga boyu uzar (ve enerji kaybeder). (E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE)
Öyleyse asıl soru, bunun kuantum kısmını nasıl test edeceğiz? Bir yerçekimi dalgasının parçacık doğasını nasıl ararız? Teoride, bir yerçekimi dalgası, hareket eden birçok parçacıktan kaynaklanan görünür bir dalgayı gösteren önceki görüntüye benzer: bu parçacıklar gravitonlardır ve genel görünen dalga, LIGO'nun tespit ettiği şeydir. Elimizde bir dizi graviton olmasını beklemek için her türlü neden var, bunlar:
- spin-2 parçacıklar,
- kütlesiz olanlar,
- ışık hızında yayılan,
- ve bu sadece yerçekimi kuvvetiyle etkileşime girer.
LIGO'nun ikincisi üzerindeki kısıtlamaları - kütlesizlik - son derece iyidir: gravitonun bir kütlesi varsa, 1,6 x 10^-22 eV/c²'den azdır veya elektrondan yaklaşık ~10²⁸ kat daha hafiftir. Ama biz bir yol bulana kadar yerçekimi dalgalarını kullanarak kuantum yerçekimini test edin dalga-parçacık ikiliğinin parçacık kısmının gravitonlar için geçerli olup olmadığını bilemeyeceğiz.
Aslında bunun için birkaç şansımız var, ancak LIGO'nun hiçbirinde başarılı olması pek mümkün değil. Görüyorsunuz, kuantum yerçekimi etkileri en güçlü ve en çok, çok küçük mesafelerde oyunda güçlü yerçekimi alanlarının olduğu yerlerde belirgindir. Bu rejimi araştırmak için kara delikleri birleştirmekten daha iyi ne olabilir?
İki tekillik bir araya geldiğinde, Genel Görelilik'ten sapmalar olması gereken bu kuantum etkileri, birleşme anında ve hemen öncesinde (inspiralin sonunda) ve hemen sonrasında (halkanın başlangıcında) ortaya çıkacaktır. aşamalar. Gerçekçi olarak, LIGO'nun hassas olduğu mikro-milisaniye zaman ölçeklerinden ziyade pikosaniye zaman ölçeklerini araştırmaya bakıyoruz, ancak bu imkansız olmayabilir.
Düşük güçlü bir lazer darbesiyle başlayarak, onu uzatabilir, gücünü azaltabilir, ardından yükseltebilir, amplifikatörünüzü bozmadan yükseltebilir ve sonra tekrar sıkıştırabilir, aksi takdirde mümkün olandan daha yüksek güçlü, daha kısa süreli bir darbe oluşturabilirsiniz. 2010'lardan itibaren femtosaniye (10^-15 s) lazerlerden attosaniye (10^-18 s) lazer fiziğine geçiş yaptık. (JOHAN JARNESTAD/KRALİYET İSVEÇ BİLİMLER AKADEMİSİ)
Femtosaniye ve hatta attosaniye (10^-15 s ila 10^-18 s) zaman aralıklarında çalışan lazer darbeleri geliştirdik ve bu nedenle, bunlardan yeterince varsa, görelilikten küçük sapmalara karşı duyarlı olabileceğimiz düşünülebilir. interferometreler aynı anda gidiyor. Çok sayıda interferometre ve gürültüde önemli bir azalma ve hassasiyette artış dahil olmak üzere teknolojide muazzam bir sıçrama yapacaktı. Ancak teknik olarak imkansız değil; bu sadece teknolojik olarak zor!
Biraz daha fazla bilgi için, bir keresinde Michigan Üniversitesi'ndeki Lowbrow Astronomers'a yerçekimi dalgaları, LIGO ve ondan öğrendiklerimiz hakkında bir video konuşması yaptım ve konuşmanın tamamı şu anda çevrimiçi , son soru tam olarak bu noktaya değiniyor.
Bu çizim, bir zamanlama dizisinde izlenen kaç pulsarın, uzay-zaman dalgalar tarafından bozulduğu için bir yerçekimi dalga sinyalini algılayabildiğini gösterir. Benzer şekilde, yeterince hassas bir lazer dizisi, prensipte, yerçekimi dalgalarının kuantum doğasını tespit edebilir. (DAVID CHAMPION / MAX PLANCK RADYO ASTRONOMİ ENSTİTÜSÜ)
Yerçekimi dalgalarının sadece elektromanyetik dalgaların kuantum analoğu olduğuna inanmak için her türlü nedenimiz olmasına rağmen, elektromanyetik fotonun aksine, yerçekimi dalgalarının karşılığı olan yerçekimi parçacığını, yani gravitonu doğrudan tespit etmenin teknolojik zorluklarına henüz yükselmedik.
Teorisyenler hala ortaya çıkması gereken benzersiz kuantum etkilerini hesaplıyorlar ve kuantum yerçekiminin masaüstü testleri tasarlamak için deneycilerle birlikte çalışıyorlar, tüm bunlar yerçekimi dalgası astronomları gelecek nesil bir dedektörün bir gün bu dalgaların kuantum doğasını nasıl ortaya çıkarabileceği konusunda kafa karıştırıyor. Kütleçekimsel dalgaların dalga-parçacık ikiliği sergilemesini beklesek de, onu tespit edene kadar kesin olarak bilemeyiz. Merakımızın bizi buna yatırım yapmaya zorlamasını, doğanın işbirliği yapmasını ve cevabı kesin olarak bulmamızı umarız!
Bir Patlama İle Başlar şimdi Forbes'ta , ve Medium'da yeniden yayınlandı Patreon destekçilerimize teşekkürler . Ethan iki kitap yazdı, Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .